Química Orgânica para Ciência

e Tecnologia de Alimentos

Prof. Dr. Leandro Vinícius Alves Gurgel

Aula 8

Estudo dos Haletos de alquila

1. Introdução

• Os haletos de alquila são compostos que possuem um

halogênio ligado a um grupo alquila;

• Além da importância em síntese orgânica, os haletos de

alquila também têm grande importância industrial e no

cotidiano;

• O tetracloreto de carbono (CCl4), triclorometano (CHCl3) e

1,1,2-tricloroetano (Cl2C=CHCl) são empregados como

solventes industriais;

• O diclorodifluormetano (Freon, CCl2F2) é utilizado em

refrigerantes e também teve uso como propelente em

aerossóis;

• Também são utilizados em polímeros, tais como o teflon,

entre outros.

1. Introdução – Pesticidas Organoclorados

• Diversos pesticidas utilizados na agricultura também são

derivados de haletos de alquila;

Dieldrin/Endrin

Aldrin

DDT Metoxiclor

Clordane Heptaclor

1. Introdução

• O número de haletos de alquila naturais conhecidos ainda é

pequeno (cerca de 2.600 compostos) e a maioria deles foi

isolado de microorganismos marinhos;

• Alguns desses compostos são muito tóxicos;

• Também foram identificados haletos de alquila naturais com

atividade biológica;

• Exemplo: Plocameno B, isolado da alga vermelha

(Plocamiun violaceum), possui atividade inseticida contra

larvas de mosquito, semelhante ao DDT:

2. Propriedades Físicas e estruturais

• A ligação carbono-halogênio é formada pela sobreposição de

um orbital híbrido do carbono com um orbital sp3 do

halogênio;

• O comprimento da ligação aumenta a medida que aumenta o

tamanho do átomo de halogênio, assim a ligação C-F tem umcomprimento de 1,39Å;

• Ao passo que a ligação C-I tem um comprimento de 2,14Å;

• Como os halogênios são mais eletronegativos que o carbono,

a ligação C-X é polarizada (Eletronegatividades: C(2,5),

F(4,0), Cl(3,5), Br(2,8) e I(2,5));

2. Propriedades Físicas e estruturais

2. Propriedades Físicas e estruturais

• Mesmo sendo moléculas polarizadas, os haletos de alquila

apresentam baixa solubilidade em água;

• Em virtude da maior massa molar, devido ao halogênio, os

haletos de alquila apresentam ponto de ebulição mais

elevados, comparados aos alcanos de mesmo número de

carbonos;

• No caso dos haletos de alquila com o mesmo número de

carbonos, a temperatura de ebulição aumenta com o

aumento da massa molar do halogênio;

2. Propriedades Físicas e estruturais

• As propriedades físicas de alguns haletos orgânicos mais

comuns são listadas na tabela abaixo:

3. Nomenclatura

• Na nomenclatura de classe funcional os grupos alquila e os

haletos (fluoreto, cloreto, brometo e iodeto) são designados

como palavras separadas pela preposição de;

• O grupo alquila se baseia cadeia carbônica contínua mais

longa no carbono, que começa no carbono ao qual o

halogênio está ligado;

Fluoreto de

metila

Cloreto de

pentilaBrometo de

1-Etilbutila

Iodeto de

Cicloexila

3. Nomenclatura

• A nomenclatura substitutiva dos haletos de alquila trata o

halogênio como um substituinte halo (fluoro-, cloro-, bromo-

ou iodo-) em uma cadeia de alcano;

• A cadeia carbônica é numerada na direção que fornece ao

carbono substituído o menor número:

1-Fluoropentano 2-Bromopentano 3-Iodopentano

3. Nomenclatura

• Quando a cadeia carbônica leva um halogênio e um

substituinte alquila, os dois são considerados como tendo

igual importância e a cadeia é numerada de modo a

designar o menor número ao substituinte mais próximo do

final da cadeia:

2-Cloro-5-metileptano5-Cloro-2-metileptano

4. Reatividade

• Devido a polarização da ligação C-X, as moléculas de haleto

de alquila, principalmente as contendo Cl, Br e I, são reativas,

sofrendo principalmente três tipos de reações:

• Substituição nucleofílica;

• Eliminação;

4.1. Reações de Substituição Nucleofílica

• A reação de haletos orgânicos com nucleófilos (Nu:-) é de

grande importância para a síntese orgânica, pois a partir

desta reação é possível fazer uma série de transformações

orgânicas;

• A equação geral pode ser apresentada da seguinte forma:

• Neste tipo de reação um nucleófilo (Nu:-) substitui um grupo

retirante (LG-) em uma molécula (substrato) que sofre

substituição;

Nucleófilo Substrato Produto Grupo retirante

4.1. Reações de Substituição Nucleofílica

• O nucleófilo é sempre uma base de Lewis, e ele pode ser

carregado negativamente ou neutro;

• O grupo retirante é sempre uma espécie que leva um par de

elétrons com ela quando ela se afasta;

• Exemplos de reações de substituição nucleofílica:

4.1. Reações de Substituição Nucleofílica

• Em uma reação de substituição nucleofílica a ligação entre o

carbono do substrato e o grupo retirante sofre uma

quebra heterolítica, e o par de elétrons não compartilhado

do nucleófilo forma uma nova ligação com o átomo de

carbono:

• A questão chave é: quando a ligação entre o grupo retirante e

o átomo de carbono quebra? Ela quebra ao mesmo tempo

que a nova ligação entre o nucleófilo e o carbono se forma?

4.1. Reações de Substituição Nucleofílica

• Ou, a ligação entre o grupo retirante e o carbono se quebra

primeiro?

• Seguido por:

• As respostas para estas perguntas dependerão

grandemente da estrutura do substrato!

4.1.1. Nucleófilos

• Um nucleófilo é um reagente que procura um centro positivo;

• Qualquer íon negativo (ânion) ou molécula não carregada

com um par de elétrons não-ligante é um nucleófilo

potencial.

Este é o centro

positivo que o

nucleófilo procura

O halogênio

eletronegativo polariza a

ligação C-X

4.1.1. Nucleófilos

• Vejamos dois exemplos de reação de substituição

nucleofílica, um onde o nucleófilo carregando negativamente

reage (-:OH) e outro onde um nucleófilo neutro (H2O), ambos

reagem com o mesmo substrato:

• 1)

• 2)

4.1.2. Grupos retirantes

• Para agir como o substrato em uma reação de substituição

nucleofílica, uma molécula deve ter um bom grupo

retirante;

• Um bom grupo abandonador ou retirante é um substituinte

que pode deixar o substrato como um íon ou molécula

fracamente básica e relativamente estável;

• O seguinte é um exemplo onde o grupo abandonador sai

como uma molécula de água:

4.2. Mecanismos

• Dependendo das condições em que a reação é realizada e

da natureza do substrato e do nucleófilo, a reação de

substituição nucleofílica pode ser:

• Unimolecular (SN1):

• Bimolecular (SN2):

4.2. Reações SN2

• No mecanismo SN2, a etapa lenta da reação depende da

concentração do haleto de alquila (substrato) e do

nucleófilo, formando, no estado de transição, um complexo

onde tanto o grupo abandonador quanto o nucleófilo estão

parcialmente ligados ao carbono;

• É possível afirmar que a quebra da ligação C-X e a

formação da ligação Nu-C ocorrem simultaneamente:

• Reação:

• Mecanismo:

4.2. Reações SN2

• Uma representação esquemática dos orbitais envolvidos em

uma reação SN2:

• De acordo com esse mecanismo:

• O nucleófilo aproxima-se do átomo de carbono portando o

grupo abandonador por pelo lado de trás, isto é, pelo

lado diretamente oposto ao grupo abandonador.

• Como o nucleófilo forma uma ligação e o grupo

abandonador sai, o átomo de carbono do substrato sofre

inversão de configuração.

Orbital antiligante

Orbital ligante

4.2.1. A estereoquímica das reações SN2

• A estereoquímica da reação SN2 é diretamente relacionada

as características-chave do mecanismo da reação:

4.2.1. A estereoquímica das reações SN2

• Exemplo:

cis-1-Cloro-3-

metilciclopentano

trans-3-

metilciclopentanol

4.3. Reações SN1

• No mecanismo SN1, na etapa lenta da reação é formado um

carbocátion, e em uma segunda etapa ocorre o ataque do

nucleofílico sobre o carbocátion;

• Na etapa lenta uma molécula de cloreto de terc-butila ioniza e

torna-se um cátion terc-butila e um íon cloreto. No estado de

transição para esta etapa a ligação carbono-cloro do cloreto

de terc-butila é em grande parte quebrada e os íons

começam a se desenvolver:

4.3. Reações SN1

• Mecanismo:

• Etapa 1:

• Etapa 2:

• Etapa 3:

4.3.1. Carbocátions

• (a) Cátion metila (carbocátion metila)

• (b) Cátion terc-butila (carbocátion 3º)

4.3.2. Hiperconjugação

• A hiperconjugação envolve uma deslocalização de elétrons

(via sobreposição orbital parcial) através de um orbital ligante

preenchido com um orbital adjacente vazio:

4.3.2. Hiperconjugação

• Estabilidade relativa dos carbocátions é: 3º > 2º > 1º > Metila:

terc-butila (3º) Isopropila (2º) Etila (1º) Metila

4.3.3. Estereoquímica das reações SN1

• Porque o carbocátion formado na primeira etapa de uma

reação SN1 tem uma estrutura trigonal plana, quando ele

reage com um nucleófilo, ele pode fazê-lo por trás ou pela

frente;

• Com o cátion terc-butila isto não faz diferença, desde que o

grupo terc-butila não é um sítio quiral, o mesmo produto é

formado por ambos os modos de ataque:

4.3.4. Reações que envolvem racemização

• Uma reação que transforma um composto opticamente ativo

em uma forma racêmica é uma reação que se procede com a

racemização:

(S)-3-Bromo-3-

metilexano

(opticamente ativo)

50%

(S)-3-metil-3-hexanol

(opticamente inativo)

50%

(R)-3-metil-3-hexanol

(opticamente inativo)

4.4. Efeito estérico nas reações SN2

• Efeitos estéricos e velocidades relativas nas reações SN2:

4.5. Força do nucleófilo

• O ânion metóxido, por exemplo, é um bom nucleófilo para uma

reação de substituição nucleofílica com o iodometano:

• Metanol por outro lado, é um nucleófilo pobre para uma reação

com o iodometano:

• As forças relativas dos nucleófilos podem ser relacionadas as

características estruturais:

• 1) Nucleófilo carregado negativamente é sempre mais reativo do

que seu ácido conjudado:

• 2) Em um grupo de nucleófilos no qual o átomo nucleofílico é o

mesmo, nucleofilicidade acompanha a basicidade:

5. Reações de Eliminação de Haletos de Alquila

• O tratamento de um haleto com base forte (KOH e EtO-Na+)

leva a formação de um alceno (produto de eliminação de um

haleto de alquila);

• Uma reação de eliminação pode ocorrer de duas maneiras:

• Mecanismo unimolecular (E1);

• Mecanismo bimolecular (E2);

• O tipo de mecanismo vai depender da estrutura do

substrato (haleto de alquila);

• Quando o halogênio do haleto de alquila estiver ligado a

um carbono terciário ou secundário é possível formar

carbocátions estáveis e o mecanismo preferencial é E1;

• Quando o halogênio estiver ligado a um carbono primário,

devido a estabilidade do carbocátion 1º, o mecanismo é E2;

5. Reações de Eliminação de Haletos de Alquila

• Aquecer um haleto de alquila com uma base forte leva a uma

reação de eliminação;

• Exemplos:

5. Reações de Eliminação de Haletos de Alquila

• O carbono que contém o grupo retirante (abandonador)

ligado é chamado de carbono a e o carbono adjacente é

chamado de carbono b;

• No mecanismo E2 a saída do halogênio ocorre

simultaneamente ao ataque da base sobre o hidrogênio

ácido; A condição básica para ocorrer este tipo de

mecanismo é que o halogênio e o hidrogênio estejam em

posição antiperiplanar.

Hidrogênio b

Carbono b

Carbono a

Grupo abandonador

5.1. Bases usadas na desidrohalogenação

• Várias bases fortes têm sido usadas na desidrohalogenação;

• Hidróxido de potássio dissolvido em etanol (KOH/EtOH) é

usado algumas vezes;

• Mas bases conjugadas de alcoóis como etóxido de sódio

(EtO-Na+) oferecem vantagens distintas;

• Os íons alcóxido podem ser obtidos através de tratamento

com sódio metálico ou hidreto de sódio:

Estado de transição

5.2. Mecanismo de desidrohalogenação E2

• Reação:

• Mecanismo:

5.3. Mecanismo de desidrohalogenação E1

• No mecanismo E1, na etapa lenta da reação é formado um

carbocátion e em uma segunda etapa ocorre o ataque da

base sobre o Hb ao carbocátion, levando a formação de um

alceno;

• Havendo a possibilidade de formar mais de um alceno,

sempre será formado em maior percentual o alceno mais

estável (mais substituído);

Cloreto de

terc-butila

Álcool terc-butílico Éter etil terc-butílico

2-Metilpropeno

5.3. Mecanismo de desidrohalogenação E1

• Mecanismo:

• 1) Formação do carbocátion terc-butila (3º):

• 2) Se o solvente age como nucleófilo a reação procede via

SN1:

5.3. Mecanismo de desidrohalogenação E1

• 3) Se o solvente age como uma base e remove um dos Hb, o

produto é o 2-Metilpropeno e a reação procede via E1:

• As reações E1 quase sempre acompanham as reações SN1;

5.3. Mecanismo de desidrohalogenação E1

• Reação:

• Etapa 1:

• Etapa 2:

6. Como determinar se Substituição ou Eliminação é favorecida

• SN2 versus E2: Essas reações são ambas favorecidas por

uma alta concentração de um nucleófilo forte ou uma base

forte;

• Quando o nucleófilo (base) ataca um átomo de Hb, a

eliminação ocorre;

• Quando o nucleófilo (base) ataca o carbono ligado ao

grupo abandonador, a substituição ocorre;

6. Como determinar se Substituição ou Eliminação é favorecida

• Substrato primário:

• Substrato secundário:

• Substrato terciário (sem aquecimento):

6. Como determinar se Substituição ou Eliminação é favorecida

• Substrato terciário (com aquecimento):

• Aumentar a temperatura favorece eliminação E1 (forma

carbocátion) e E2 (não forma carbocátion) em relação a

substituição;

6. Como determinar se Substituição ou Eliminação é favorecida

• Tamanho da base (nucleófilo):

• 1) Nucleófilo pequeno (pouco impedido):

• 2) Nucleófilo grande (grande impedimento estérico):

6. Como determinar se Substituição ou Eliminação é favorecida

• Haletos terciários: SN1 versus E1;

• Porque as reações SN1 e E1 procedem através da formação

de um intermediário comum, os dois tipos respondem de

modos similares aos fatores que afetam a reatividade;

• As reações E1 são favorecidas com substratos que podem

formar carbocátions estáveis, isto é, haletos terciários;

• Elas também são favorecidas por nucleófilos fracos e pelo

uso de solvente polares (solvatação);

• O aumento da temperatura favorece E1 em relação a SN1.

7. Resumo

7. Resumo